DOI:10.15193/zntj/2014/92/005-015
ANNA WLAZŁY, ZDZISŁAW TARGOŃSKI
WYKORZYSTANIE OZNACZEŃ STOSUNKÓW STABILNYCH IZOTOPÓW WYBRANYCH PIERWIASTKÓW W OCENIE AUTENTYCZNOŚCI PRODUKTÓW POCHODZĄCYCH Z UPRAW
EKOLOGICZNYCH
S t r e s z c z e n i e
W artykule przedstawiono stan badań dotyczący stosunków stabilnych izotopów węgla i azotu w różnych artykułach spożywczych (warzywach, owocach, mięsie, mleku), które były produkowane me- todami tradycyjnymi i ekologicznymi. Miara ilości ciężkiego i lekkiego izotopu w próbce oznaczana jest jako wartość δ. Na wartość δ15N w warzywach i owocach ma wpływ między innymi rodzaj gleby, rodzaj nawożenia, poprzedni sposób użytkowania pola. Metody polegające na oznaczaniu wartości δ15N lub δ13C mogą być przydatne do odróżniania żywności ekologicznej i tradycyjnej, nie jest to jednak zasada, która dotyczy wszystkich produktów.
Słowa kluczowe: izotopy, 15N, 13C, uprawa ekologiczna, autentyczność produktów
Wprowadzenie
Wzrasta zainteresowanie żywnością ekologiczną, uznawaną za bardziej bezpiecz- ną dla zdrowia człowieka [5, 12, 25]. Produkcja żywności ekologicznej wyklucza moż- liwość stosowania pestycydów i nawozów mineralnych, a dopuszcza stosowanie na- wozów organicznych [20]. Poszukuje się więc bardziej nowoczesnych metod umożliwiających sprawdzanie autentyczności produktów żywnościowych deklarowa- nych jako ekologiczne. Coraz większe zastosowanie zyskują metody bazujące na wy- znaczeniu stosunków stałych izotopów pierwiastków w celu m.in. kontroli autentycz- ności produktów spożywczych, w tym także ich pochodzenia [24]. Wyznaczanie stosunków stabilnych izotopów węgla i azotu w różnych warzywach, mięsie i mleku jest również wykorzystywane do odróżnienia żywności produkowanej w warunkach ekologicznych od produkowanej metodami tradycyjnymi.
Mgr inż. A. Wlazły, prof. dr hab. Z. Targoński, Katedra Biotechnologii, Żywienia Człowieka i Towaro- znawstwa Żywności, Wydz. Nauk o Żywności i Biotechnologii, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, ul.
Skromna 8, 20-950 Lublin. Kontakt: a.wlazly75@wp.eu
W przedstawionym przeglądzie piśmiennictwa omówiono stan badań nad ozna- czeniami stosunków stabilnych izotopów węgla i azotu w artykułach żywnościowych, które były produkowane w różnych warunkach środowiska. Ponadto oceniono przy- datność wyznaczania stosunków stabilnych izotopów pierwiastków do odróżniania żywności ekologicznej od tradycyjnej.
Izotopy to odmiany pierwiastka chemicznego, które różnią się liczbą neutronów w jądrze atomu, natomiast liczba protonów pozostaje taka sama, co powoduje różnicę w wartości liczby masowej. Izotopy danego pierwiastka chemicznego zazwyczaj mają podobne właściwości fizyczne i chemiczne. Ze względu na stabilność izotopy dzieli się na trwałe (stabilne) i nietrwałe (niestabilne). Izotopy trwałe nie będą ulegały samorzut- nej przemianie do izotopów innego pierwiastka lub tego samego, natomiast izotopy nietrwałe (promieniotwórcze) ulegają przemianie do innych izotopów. Do najczęściej wykorzystywanych izotopów pierwiastków w badaniach żywności należą izotopy wo- doru (H), tlenu (O), azotu (N), węgla (C) i siarki (S). Pierwiastki te mają następujące izotopy : 1H, 2H, 3H, 16O, 17O, 18O, 14N, 15N, 12C, 13C,14C, 32S, 33S, 34S, 35S [10].
Pierwiastki i ich izotopy występują w różnych stężeniach zarówno w biosferze, jak również w roślinach, zwierzętach i w glebie [13]. W badaniach nad rozkładem izotopów w przyrodzie ważnym pojęciem jest ich frakcjonowanie. Każda roślina ma swój jedyny układ naturalnie występujących izotopów węgla, azotu, wodoru i tlenu, na którego rozmieszczenie wpływają fizyczne i biochemiczne właściwości oraz warunki klimatyczne [19]. Ze względu na niewielkie różnice stosunków izotopów w analizo- wanych próbkach materiału organicznego, zamiast prostych stosunków wprowadzono określenie zależności w stosunku do międzynarodowego standardu tzw. PDB – stan- dard otrzymany z próbki Belemnitella american, pochodzący z okresu kredy z Połu- dniowej Karoliny (USA). Ponieważ oryginalna próbka nie jest dostępna, zastąpiono ją próbką wiedeńską VPDB.
Wartość δ15N (‰) oblicza się z równania [1]:
1 1000N 000
15
standardu próbki
R
R
gdzie: R oznacza N N
14
15 , a standardem jest azot atmosferyczny ze stosunkiem N N
14 15 =
0,00368 i δ15N = 0 ‰
Wartość δ13C (‰) obliczana jest również z tego równania, przy czym R = C C
12 13
, a standardem jest VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite).
Wartości δ są miarą zawartości ciężkiego i lekkiego izotopu w próbce. Wzrost tej wartości oznacza wzrost ilości ciężkiego izotopu, natomiast obniżenie wartości δ oznacza zmniejszenie zawartości ciężkiego izotopu. Wiele czynników ma wpływ na stosunki ciężkiego do lekkiego izotopu, są to na ogół zmiany małe, rzędu kilku promili, chociaż możliwe są też duże zmiany rzędu 100 ‰. Do wyznaczania wartości δ wyko- rzystywane są spektrometry masowe, a próbki trzeba przeprowadzić w stan gazowy.
Wyznaczenie δ15N i δ13C w produktach z upraw ekologicznych i tradycyjnych Wyznaczanie stosunków stabilnych izotopów węgla tj. 12C i 13C wykorzystuje się do odróżnienia składników roślin C-3 od roślin C-4. Rośliny C-4 charakteryzują się wartościami δ13C mieszczącymi się w przedziale 9 - 14 ‰, zaś rośliny C-3 w zakresie 20 - 35 ‰. Do pierwszej grupy roślin zalicza się m.in. kukurydzę i trzcinę cukrową, a do drugiej m.in. pszenicę i buraki cukrowe.
Stosunek izotopów azotu w atmosferze przyjęto jako równy 0 ‰. Jest on jednak różny dla różnych roślin. Rośliny nasion strączkowych żyjące w symbiozie z bakteria- mi wiążącymi azot atmosferyczny charakteryzuje niższy stosunek izotopów azotu niż rośliny wykorzystujące nieorganiczne związki azotowe. Zróżnicowane zawartości izo- topów w tych roślinach przekładają się na odmienne zawartości izotopów azotu u zwierząt spożywających pasze składające się w głównej mierze z nasion roślin strączkowych w stosunku do pasz zbożowych.
Istnieje wiele czynników, które mogą wpływać na wartość δ15N w warzywach czy owocach, należą do nich m.in. rodzaj gleby, sposób poprzedniego użytkowania pola, zmiany w praktykach rolniczych [2]. Na wartość δ15N w glebie ma także wpływ po- ziom jej wilgotności, o czym informują Choi i wsp. [9].
W przypadku produkcji roślin metodami konwencjonalnymi najczęściej stosuje się nawozy mineralne, które nie są używane w produkcji ekologicznej. Nawozy te cha- rakteryzują się wartością δ15N bliską zeru, zazwyczaj są to wartości pomiędzy -2 a 2 ‰ [2]. Natomiast w produkcji organicznej stosuje się kompost, nawóz pochodzący od zwierząt, nawóz zielony, który jest bardziej zasobny w 15N i wyznaczone wartości δ15N najczęściej wahają się pomiędzy 6 a 15 ‰ [8, 15]. Ze względu na te różnice w wielu krajach podjęto badania w celu odpowiedzi na pytanie, czy rodzaj zastosowanego na- wozu (o różnym poziomie δ15N) będzie przenosił się na wartości δ15N w roślinach.
Bateman i wsp. [2] oznaczyli zawartości δ15N w pomidorach, sałacie i marchwi pochodzących z komercyjnych upraw konwencjonalnych, jak i z upraw, w których stosowano tylko nawozy organiczne. Sałata, która rosła w warunkach konwencjonal- nych wykazywała niższy poziom δ15N w porównaniu z sałatą nawożoną organicznie, dla której najniższa wartość wynosiła 0,8 ‰. W 30 % sałaty produkowanej w sposób konwencjonalny wyznaczone wartości δ15N były poniżej tej wartości. δ15N w przypad- ku sałaty nawożonej nawozami organicznymi wynosił 7,6 ‰, a nawożonej chemicznie
– 2,9 ‰. Natomiast pomidory pochodzące z upraw nawożonych nawozami organicz- nymi charakteryzowały się większą wartością δ15N = 8,1 ‰ niż produkowane meto- dami tradycyjnymi, gdzie średnia wartość wynosiła -0,1 ‰. Pomimo różnic w średnich wartościach δ15N w uprawach pomidorów i sałaty w odmiennych systemach, wystę- powała zgodność w poziomie wartości δ15N zarówno w przypadku upraw konwencjo- nalnych, jak i organicznych. W przypadku marchwi z upraw nawożonych organicznie, w porównaniu z nawożonymi konwencjonalnie, nie stwierdzono różnic w wartości δ15N. Wyniki te uzasadniano wyższym zapotrzebowaniem marchwi na azot [2, 16] w porównaniu z sałatą i pomidorami oraz różnicami w uprawie, gdyż sałata i pomidory były najpierw kiełkowane i flancowane, zanim zostały przesadzone do uprawy właści- wej.
Šturm i wsp. [23] oceniali, jak rodzaj nawożenia wpływa na poziom δ15N w warzywach. Poletka z sałatą nawożono różnymi sposobami, używając: tylko nawozu organicznego (O) w jednej dawce, tylko nawozu mineralnego (S) w jednej dawce oraz rozdzielono podanie nawozu na dwie części w konfiguracjach – S+S, O+O, S+O, O+S.
Najwyższą wartość δ15N (po 50 dniach wzrostu) stwierdzono w próbce sałaty, do uprawy której zastosowano tylko pojedynczą dawkę nawozu organicznego, a najniższą w próbce z zastosowaniem nawozu mineralnego podzielonego na dwie dawki (S+S) i podobnie, gdy użyto pojedynczej dawki nawozu mineralnego. Uzyskano więc wynik potwierdzający tezę, że rodzaj nawożenia ma wpływ na wartość δ15N. Zainteresowanie naukowców zostało również skierowane na problematykę poziomu δ15N w zależności od czasu, jaki upłynął od momentu posadzenia sałaty do jej zbioru. Określono wartości δ15N po 20, 30 i 50 dniach od przesadzenia sałaty. Zauważono, że czas zbioru również wpływa na δ15N, gdyż próbki sałaty nawożone w układach O, O+O, O+S wykazywały niższe wartości z upływem czasu, natomiast w układach S, S+S, S+O wartość δ15N była na zbliżonym poziomie. Wnioski te po części są zbieżne z obserwacjami Rogersa [21], który określał wartości δ15N w ośmiu warzywach (ziemniakach, ogórkach, cuki- nii, pomidorach, groszku, brokułach, dyni, bakłażanach) pochodzących ze sklepów z żywnością produkowaną z zastosowaniem nawozów organicznych i ich odpowiedni- kami z upraw konwencjonalnych, pochodzących z masowej produkcji. Obliczone war- tości Δ15N[org-nieorg] wahały się w przedziale od 0,1 do 9,6 ‰. Najniższą wartością Δ15N charakteryzował się groszek, zaś najwyższą – ogórek. Na tej podstawie sformułowano wniosek, ze różnice te mają związek z zastosowanym nawozem [21, 26]. Podczas pro- wadzonych analiz zauważono też, że rośliny, które mają krótszy okres wegetacji cha- rakteryzują się wyższą wartością Δ15N[org-nieorg] (z wyłączeniem groszku), co wynika z tego, że rośliny te szybko przyswajają azot z podłoża. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że oznaczenie stabilnego izotopu azotu może służyć do rozróż- nienia warzyw z plantacji organicznych i konwencjonalnych, jeżeli nie są to rośliny
wiążące azot atmosferyczny (np. groszek), bo czerpią one azot bardziej z powietrza niż z gleby.
Na zawartość azotu w roślinie wpływa zawartość azotu w glebie, a ta z kolei jest powiązana z zastosowanym nawożeniem [8, 23, 27, 28]. Ilość zastosowanego nawozu również wpływała na wartość δ15N, co wykazali Georgi i wsp. [14]. Skupili się oni na oznaczeniu wartości δ15N i δ13C w warzywach (sałacie, cebuli, kapuście), stosując op- tymalne i zredukowane (stanowiące 65 % optymalnej wartości) dawki nawozu. Planta- cje organiczne nawożone były nawozem zielonym i mączką z rogów zwierząt, nato- miast plantacje zintegrowane nawożone były azotanem(V) amonu, związkami fosforu i potasu. Warzywa z produkcji organicznej charakteryzowały się wyższymi wartości δ15N, a różnica ta była największa, gdy zastosowano optymalną dawkę nawozu, jeżeli zaś dawka azotu była obniżona, różnice te były mniejsze. W przypadku kapusty chiń- skiej nie wykazano różnic. Po przeanalizowaniu wartości δ13C poszczególnych warzyw zauważono, że sposób produkcji nie wpływał znacząco na oznaczanie wartości δ13C, chociaż warzywa z produkcji organicznej charakteryzowały się nieznacznie niższymi wartościami.
Choi i wsp. [8] potwierdzają również większą zawartość δ15N w warzywach na- wożonych nawozami organicznymi. Były to różnice rzędu 3,85 - 10,1 ‰ w zależności od warzywa. Oznaczenia przeprowadzono w sałacie, kapuście, bakłażanach, papryce, szpinaku i ogórkach. Wartości δ15N papryki z produkcji organicznej zawierały się w zakresie 13,6 - 15,3 ‰, a nawożonej nawozami mineralnymi – od 3,7 do 5,3 ‰.
Różnice te tłumaczono wyższą wartością δ15N w glebie nawożonej organicznie.
Nakano i wsp. [18] nawozili pomidory trzema sposobami, przy użyciu: 1) tylko nawozu mineralnego granulowanego, 2) tylko płynnego nawozu nieorganicznego, 3) organicznego nawozu otrzymanego z kukurydzy (CLS-corn step liquor). Rodzaj zasto- sowanego nawozu nie miał znaczącego wpływu na wielkość plonu, gdyż na każdym z pól uzyskano zbliżoną masę warzyw. Natomiast wartość δ15N w owocach pomidorów rosnących w warunkach nawożenia nawozami organicznymi była najwyższa i wynosi- ła 7 ‰. Wartości δ13C oznaczone w pomidorach we wszystkich przypadkach były bar- dzo zbliżone do siebie. Na tej podstawie sformułowano wnioski, że roślina czerpie węgiel z węgla atmosferycznego, a nie z gleby czy z zastosowanego nawozu, a wartość δ15N może być wskaźnikiem do odróżniania rodzaju produkcji warzyw.
Oznaczeń izotopów 15N, i 13C podjęli się również Camin i wsp. [6] oraz Flores i wsp. [11]. W pierwszym przypadku oznaczeniom poddano ziemniaki pochodzące z profesjonalnych upraw organicznych według określonych zasad (rozporządzenie Rady UE 2092/91) i upraw konwencjonalnych, ale takich, w produkcji których uwzględniano przestrzeganie określonych procedur (rozporządzenie Rady WE nr 2200/96). Ziemniaki z upraw organicznych zawsze charakteryzowały się wyższymi wartościami δ15N niż z upraw konwencjonalnych. Różnice te wynosiły od 1,57 do
6,58 ‰ w zależności od odmiany i roku badań. Wartość δ13C nie była natomiast uza- leżniona od rodzaju uprawy. W drugim przypadku przeprowadzono eksperyment pole- gający na nawożeniu jednej części papryki tylko nawozami organicznymi, a drugiej tylko nawozami mineralnymi, przy czym obie części były tak samo podlewane. Owoce papryki nawożone chemicznie wykazywały niższe wartości δ15N niż nawożone orga- nicznie, co koreluje z wartościami δ15N w nawozie, wyższymi w przypadku nawozu organicznego niż syntetycznego.
Na wartości δ15N wyznaczone w warzywach wpływ miał rodzaj wody użytej do podlewania, a także rodzaj podłoża, na którym rosły warzywa, co wykazali Bateman i wsp. [1]. Zbadano wpływ rodzaju podłoża do uprawy (torf lub kora przerobiona na kompost) na wartość δ15N. Stwierdzono, że rodzaj podłoża miał wpływ na wartości δ15N, gdyż w przypadku braku nawożenia pomidory uprawiane w torfie miały wartość δ15N przeciętnie o 5 ‰ niższe niż uprawiane w korze przerobionej na kompost. Rów- nież rodzaj zastosowanego nawozu wpływał na wielkość δ15N, która była wyższa w przypadku nawożenia nawozami organicznymi, niezależnie od tego, na jakim podło- żu rosły pomidory, przy czym różnica ta była wyższa w przypadku upraw w podłożu z kompostowanej kory. Rodzaj wody (wodociągowa i dejonizowana) miał wpływ na poziom δ15N w przypadku, gdy do uprawy sałaty nie użyto żadnego nawozu lub gdy stosowano nawóz organiczny, czego nie zauważono przy zastosowaniu nawozu sztucznego. Potwierdzeniem różnic pod względem wartości δ15N w zależności od za- stosowanego nawożenia były wyniki uzyskane w przypadku marchwi, gdzie δ15N była niższa o od 3,2 do 4 ‰ w marchwi z uprawy nawożonej azotanem(V) amonu, w po- równaniu z marchwią nawożoną organicznie (pelleted chicken manure).
We Włoszech podjęto badania mające na celu charakterystykę składu izotopowe- go azotu owoców z produkcji organicznych [7, 20]. Prace te dotyczyły pomarańczy [7, 20] oraz truskawek, mandarynek i brzoskwiń [7]. Wartości δ15N oznaczono w białku z miąższu owoców i w aminokwasach w soku [20]. Prace prowadzono przez 3 lata.
Gospodarstwa dobrano tak, aby warunki środowiskowe były takie same zarówno w przypadku upraw organicznych, jak i konwencjonalnych. We wszystkich wariantach δ15N była statystycznie wyższa w owocach pochodzących z upraw nawożonych orga- nicznie. Stwierdzono, że takie wyniki badań związane są z tym, że nawozy organiczne powodują zwiększenie poziomu 15N w glebie, a to sprzyja wzrostowi δ15N w owocach.
Różnice δ15N w przypadku pomarańczy wahały się w zakresie od 1,06 do 1,78 ‰ w zależności od odmiany oraz oznaczania δ15N w soku czy też w miąższu. Po prze- prowadzeniu analiz składu izotopowego azotu truskawek, pomarańczy, brzoskwiń i mandarynek w latach 2006 - 2008 we Włoszech [7] sformułowano wniosek, że war- tość δ15N może być wykorzystana przy ocenie ww. owoców z gospodarstw ekologicz- nych oraz tradycyjnych i że jest najmniej zależna od roku produkcji i miejsca położe- nia upraw. Wskaźnik ten może być jednak używany, jeżeli do upraw konwencjo-
nalnych nie będzie stosowany nawóz organiczny (co nie jest zabronione), a uprawy organiczne nie będą nawożone nawozem uzyskanym z roślin strączkowych. Na pod- stawie wartości δ13C można było rozróżniać jedynie uprawy brzoskwiń i truskawek, gdzie znacząco niższe wartości uzyskano tylko w przypadku brzoskwiń w 2007 i 2008 roku z upraw organicznych. Przyczynę niższej wartości wyjaśniano tym, że gleby w uprawach organicznych mają wyższą aktywność mikrobiologiczną, co opisywano wcześniej w literaturze [14]. Ostatecznie stwierdzono, że wartość δ13C nie jest dobrym wskaźnikiem odróżniającym owoce z produkcji organicznej od tradycyjnej, a w dużej mierze zależy ona od miejsca produkcji.
Oznaczenia izotopowe mleka
Oznaczanie stabilnych izotopów węgla i azotu w celu odróżnienia mleka z hodowli konwencjonalnej i ekologicznej zostały przeprowadzone przez Molkentina i wsp. [17]. Oznaczone wartości δ13C w próbkach mleka ze sprzedaży detalicznej wy- kazywały różnice w zależności od rodzaju mleka. Wartości δ13C mleka pochodzącego z produkcji konwencjonalnej wynosiły -26,6 ‰ lub wyżej, natomiast z produkcji orga- nicznej δ13C była niższa, a maksimum było równe -28 ‰. Różnice te wynikają z pro- porcji roślin typu C3 i C4 w karmie dla krów. W konwencjonalnej produkcji podstawo- wa pasza dla krów składa się w 60 % z kukurydzy (która jest rośliną typu C4), natomiast w organicznej produkcji używa się jedynie niewielkiej ilości kukurydzy.
Dlatego też oznaczenie wartości δ13C może stanowić podstawę dla odróżnienia pocho- dzenia mleka.
Wartości δ15N mleka pochodzącego od krów karmionych paszą z upraw konwen- cjonalnych i z produkcji organicznej pokrywały się, chociaż spodziewano się, że mleko z produkcji organicznej będzie wykazywało wyższe wartości δ15N ze względu na uży- te nawozy do produkcji paszy. W mleku tym zaobserwowano jednak niższą wartość δ15N, co tłumaczono spożywaniem przez krowy większej ilości roślin strączkowych czy koniczyny, a rośliny te wiążą azot atmosferyczny, w którym wartość δ15N = 0, natomiast inne rośliny wiążą azot z gleby. Dlatego też sama wartość δ15N nie umożli- wia odróżnienia mleka z produkcji konwencjonalnej od mleka z produkcji organicznej.
Oznaczenia izotopowe mięsa
Oznaczenia stabilnych izotopów węgla, azotu i siarki dokonano w celu sprawdze- nia przydatności tej metody do odróżnienia wołowiny pochodzącej z produkcji orga- nicznej od konwencjonalnej [4, 22], a także określenia pochodzenia geograficznego [22]. Porównując wołowinę amerykańską i europejską zauważono duże różnice w war- tości δ13C. Wołowina pochodząca z Irlandii miała wartość δ13C = -24,5 ‰, a pozostała europejska wołowina – δ13C = -21,6 ‰. Natomiast wołowina pochodząca ze Stanów Zjednoczonych wykazywała wartość δ13C = -12,3 ‰, a z Brazylii δ13C = -10 ‰. Róż-
nice te wynikają z rodzaju paszy, którą były karmione zwierzęta. W Europie pasza zawierała więcej roślin typu C3, natomiast w Ameryce więcej było w paszy roślin typu C4 (np. kukurydzy). Schmidt i wsp. [22] zbadali możliwości odróżnienia wołowiny
Tabela 1. Wartości δ15N i δ13C wybranych produktów z produkcji organicznej i konwencjonalnej.
Table 1. Values of δ15N and δ13C in some products from organic and conventional production.
Produkt Product
δ15N [‰] δ13C [‰]
Źródło Reference Produkcja
organiczna Organic pro- duction
Produkcja nieor- ganiczna Non-organic
production
Produkcja organiczna Organic pro- duction
Produkcja nieor- ganiczna Non-organic
production Ogórek
Cucumber
12,3 2,7 -26 -28,1 [21]
13,3 3,25 - - [8]
Groszek
Peas 0,3 0,2 -25,7 -28,1 [21]
Ziemniak Potato
4,3 0,9 -27,0 -24,5 [21]
5,68 - 10,34 2,23 - 4,13 - - [6]
Brokuł
Broccoli 12,2 4,3 -27,3 -28,6 [21]
Cebula
Onion 7,0 6,4 -26,1 -26,1 [14]
Sałata Lettuce
6,7 6,7 -26,0 -26,2 [14]
13,4 3,25 - - [8]
Kapusta
Cabbage 6,7 6,4 -25,3 -26,4 [14]
Papryka Pepper
14,45 4,7 - - [8]
11,3 6,7 -27,49 -26,8 [11]
Szpinak
Spinach 9,5 5,6 - - [8]
Pomidor
Tomato 7,09 0,3 - - [18]
Pomarańcza
Orange 8,0 7,1 -26,4 -26,3 [7]
Brzoskwinia
Peach 2,4 0,9 -25,9 -25,6 [7]
Truskawka
Strawberry 1,2 0,6 -24,4 -24,6 [7]
Mleko
Milk - - -28 -26,6 [17]
Wołowina
Beef 6,6 7,8 -26,0 -24,5 [22]
z produkcji konwencjonalnej od wołowiny z produkcji organicznej na podstawie ozna- czeń stosunku stabilnych izotopów C, N, i S. Wartość δ13C była niższa w przypadku wołowiny z produkcji organicznej (wynosiła -26 ‰) niż z produkcji konwencjonalnej (δ13C = -24,5 ‰). Na podstawie tych wyników można stwierdzić, że w hodowli orga- nicznej stosowano więcej trawy jako paszy, która ma niższą wartość δ13C niż inna pa- sza. Natomiast wartość δ15N była również niższa w przypadku wołowiny z produkcji organicznej i wynosiła 6,6 ‰, podczas gdy wołowina pochodząca z produkcji kon- wencjonalnej miała wartość δ15N = 7,8 ‰. Różnice w wartości δ34S były bardzo nie- wielkie. Wołowina produkowana organicznie miała wartość δ34S = 7,9 ‰, a produko- wana konwencjonalnie – 7,2 ‰.
Oznaczenia przeprowadzane przez Bonera i wsp. [4] potwierdzają, że wartość δ13C może służyć do odróżnienia mięsa z hodowli ekologicznych od mięsa z hodowli konwencjonalnych. Rolnictwo konwencjonalne stosuje głównie kukurydzę jako paszę dla zwierząt, aby uzyskać szybszy wzrost, natomiast w rolnictwie organicznym kuku- rydzę stosuje się bardzo rzadko lub nie stosuje jej się wcale. Dlatego też mięso ekolo- giczne wykazuje niższą wartość δ13C niż mięso konwencjonalne.
Uzyskane dotychczas wybrane wyniki oznaczeń izotopowych na świecie przed- stawiono w tab. 1.
Podsumowanie
Na podstawie przeglądu piśmiennictwa można stwierdzić, że metody pomiaru stosunków stabilnych izotopów węgla i azotu w żywności mogą być wykorzystane do odróżnienia żywności pochodzącej z gospodarstw ekologicznych od żywności pocho- dzącej z upraw tradycyjnych. Nie jest to jednak zasada dotycząca wszystkich warzyw i owoców. Dlatego też są konieczne szczegółowe badania każdego produktu w różnych warunkach uprawy, by dokonać oceny przydatności ww. metody do sprawdzenia czy żywność deklarowana jako ekologiczna rzeczywiście nią jest. Istnieje potrzeba dal- szych badań potwierdzających uzyskane dotychczas wyniki. W Polsce zostały wdrożo- ne uznane metody izotopowej kontroli win, miodów i soków [3], natomiast brakuje badań nad oznaczeniami izotopów N i C w warzywach czy owocach.
Literatura
[1] Bateman A.S., Kelly S.D., Jickells T.D.: Nitrogen isotope relationships between crops and fertilizer:
implications for using nitrogen isotope analysis as an indicator of agricultural regime. J. Agric. Food Chem., 2005, 53, 5760-5765.
[2] Bateman S.A., Kelly S.D., Woolfe M.: Nitrogen isotope composition of organically and convention- ally grown crops. J. Agric. Food Chem., 2007, 55, 2664-2670.
[3] Bezpieczna Żywność. [online]. Inst. Chemii i Techn. Jądrowej.. Dostępne w Internecie [27.08.2012]:
www.ichtj.waw.pl/drupal/?q=node/357
[4] Boner M., Förstel H.: Stable isotope variation as a tool to trace the authenticity of beef. Anal. Bio- anal. Chem., 2004, 378, 301-310.
[5] Brandt K., Molgaard J.P.: Organic agriculture: does it enhance or reduce the nutritional value of plant foods? J. Sci. Food Agric., 2001, 81, 924-931.
[6] Camin F., Moschella A., Miselli F., Parisi B., Versini G., Ranalli P., Bagnaresi P.: Evaluation of markers for the traceability of potato tubers grown in an organic versus conventional regime. J.
Agric. Food. Chem., 2007, 87, 1330-1336.
[7] Camin F., Perini M., Bontempo L., Fabroni S., Faedi W., Magnani S., Baruzzi G., Bonoli M., Tabil- io M.R., Musmeci S., Rossmann A., Kelly S.D., Rapisarda P.: Potential isotopic and chemical mark- ers for characterising organic fruits. Food Chemistry, 2011, 125, 1072-1082.
[8] Choi W.J., Ro. H.M. , Hobbie E.A.: Patterns of natural 15N in soils and plants from chemically and organically fertilized uplands. Soil Biol. Biochem., 2003, 35, 1493-1500.
[9] Choi W.J., Ro H.M., Lee S.M.: Natural 15N abundances of inorganic nitrogen in soil treated with fertilizer and compost under changing soil moisture regimes. Soil Biol. Biochem., 2003, 35, 1289- 1298.
[10] Czerwiński A.: Energia jądrowa i promieniotwórczość. Oficyna Edukacyjna, Warszawa 1998.
[11] Flores P., Fenoll J., Hellín P.: The feasibility of using δ15N and δ13C values for discriminating be- tween conventionally and organically fertilized pepper (Capsicum annum L.). J. Agric. Food Chem., 2007, 55, 5740-5745.
[12] Förstel H.: The natural fingerprint of stable isotopes use of IRMS to test food authenticity. Anal.
Bioanal. Chem., 2007, 388, 541-544.
[13] Fry B.: Stable Isotope Ecology. Ed. Springer, New York, USA, 2006.
[14] Georgi M., Voerkelius S., Rossmann A., Graßmann J., Schnitzler W.H.: Multielement isotope ratios of vegetables from integrated and organic production. Plant and Soil, 2005, 275, 93-100.
[15] Hübner H.: Isotope effects of nitrogen in the soil and biosphere. In Handbook of Environment Eds.
P. Fritz and J. C. Fontes. Elsevier Science Publisher, Amsterdam 1986, pp. 361-425.
[16] Ministry of Agriculture, Fisheries and Food Fertiliser Recommendations for Agricultural and Horti- cultural Crops. (RB 209) The Stationery Office: London, UK, 2000.
[17] Molkentin J., Giesemann A.: Differentiation of organically and conventionally produced milk by stable isotope and fatty acid analysis. Anal. Bioanal. Chem., 2007, 388, 297-305.
[18] Nakano A., Uehara Y., Yamauchi A.: Effect of organic and inorganic fertigation on yields, δ15N values, and δ13C values of tomato (Lycopersicon esculentum Mill. cv. Saturn). Plant and Soil, 2003, 255, 343-349.
[19] Ogrinc N., Košir I.J., Spangenberg J.E., Kidrič J.: The application of NMR and MS methods for detection of adulteration of wine, fruit Juices and olive oil. A review. Anal. Bioanal. Chem., 2003, 376, 424-430.
[20] Rapisarda P., Calabretta M.L., Romano G., Intrigliolo F.: Nitrogen metabolism components as a tool to discriminate between organic and conventional citrus fruits. J. Agric. Food Chem., 2005, 53, 2664-2669.
[21] Rogers K.M.: Nitrogen isotopes as a screening tool to determine the growing regimen of some or- ganic and nonorganic supermarket produce from New Zealand. J. Agric. Food Chem., 2008, 56, 4078-4083.
[22] Schmidt O., Quilter J.M., Bahar B., Moloney A.P., Scrimgeour C.M., Begley I.S., Monahan F.J.:
Inferring the origin and dietary history of beef from C, N and S stable isotope ratio analysis. Food Chem., 2005, 91, 545-545.
[23] Šturm M., Kacjan-Maršić N., Lojen S.: Can δ 15N in lettuce tissues reveal the use of synthetic nitro- gen fertiliser in organic production? J. Sci. Food Agric., 2011, 91, 262-267.
[24] Wierzchnicki R.: Żywność pod kontrolą izotopową. Przem. Spoż., 2008, 6, 39-41.
[25] Woese K., Lange D., Boess C., Bogl K.W.: A comparison of organically and conventionally grown foods. Results of a review of the relevant literature. J. Sci. Food Agric., 1997, 74, 281-293.
[26] Vitòria L., Otero N., Soler A., Canals A.: Fertilizer characterization: isotopic data (N, S, O, C, and Sr). Environ. Sci. Technol., 2004, 38, 3254-3262.
[27] Yoneyama T., Omata T., Nakata S., Yazaki J.: Fractionation of nitrogen isotopes during the uptake and assimilation of ammonia by plants. Plant Cell Physiol., 1991, 32, 1211-1217.
[28] Yun S.I., Ro H.M., Choi W.J., Chang S.X.: Interactive effects of N fertilizer source and timing of fertilization leave specific N isotopic signatures in Chinese cabbage and soil. Soil Biol. Biochem., 2006, 38, 1682-1689.
APPLYING DETERMINED RATIOS OF STABLE ISOTOPES RATIOS IN SELECTED ELEMENTS TO EVALUATE AUTHENTICITY OF ORGANICALLY
GROWN PRODUCTS
S u m m a r y
In the paper, the current state of research is presented with reference to carbon and nitrogen stable iso- topes ratios (δ) in various food products (vegetables, fruits, meat, and milk) produced using conventional and organic farming methods. The δ value denotes an amount of heavy and light isotopes in a sample. The δ15N value in vegetables and fruits is affected, among other thing, by a soil and fertigation type, as well as by a farming method used previously in the field. The methods consisting in the determination of δ15N or δ13C values can be a useful tool to distinguish between organic and conventional food products; though, this principle does not involve all food products.
Key words: isotopes, 15N, 13C, organic farming, and authenticity of products
